Процеси переносу в активних середовищах напівпровідникових лазерів та оптичних підсилювачів на основі асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктур

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В. Н. Каразіна

ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В АКТИВНИХ СЕРЕДОВИЩАХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ЛАЗЕРІВ ТА ОПТИЧНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ НА ОСНОВІ АСИМЕТРИЧНИХ БАГАТОШАРОВИХ КВАНТОВО-РОЗМІРНИХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

спеціальність 01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Шуліка Олексій Володимирович

УДК 621.373.826

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сухоіванов Ігор Олександрович, професор кафедри фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Шульга Сергій Миколайович, декан радіофізичного факультету Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Маслов В'ячеслав Васильович, старший науковий співробітник Інституту радіофізики і електроніки імені О. Я. Усікова НАН України

Захист відбудеться « 12 » вересня 200 8 року о 16:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К. Д. Сінельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розіслано « 23 » червня 200 8 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. П. Пойда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Створення фотонних приладів нового покоління, у тому числі пікосекундних оптичних перемикачів, оптичних підсилювачів, високочутливих фотодетекторів і потужних випромінювачів ґрунтується на квантово-розмірних (КР) ефектах. Компактність, мале енергоспоживання, низькі пороги вмикання і висока надійність сприяють тому, що багато провідних фірм, що спеціалізуються на напівпровідниковій фотоніці, розробляють і випускають унікальні прилади на основі напівпровідникових КР гетероструктур.

Удосконалення систем оптичного зв'язку, запису, обробки, контролю і захисту інформації, а також моніторингу навколишнього середовища вимагає створення високошвидкісних активних компонентів. Сучасний етап розвитку телекомунікацій характеризується поступовим переходом до нових технологій передачі даних, які грунтуються на оптичному мультиплексуванні з часовим ущільненням каналів, заснованим на сполученні декількох каналів, представлених послідовностями ультракоротких оптичних імпульсів (УКІ). У зв'язку із цим стоять завдання вдосконалення способів і пристроїв для їхньої генерації та обробки (підсилення, корекція форми, корекція відносного положення імпульсів у часі). Одним зі способів рішення цих завдань є застосування напівпровідникових оптичних підсилювачів (НПОП) у силу їхньої високої швидкодії і можливості використати нелінійні оптичні ефекти. Великі перспективи із цієї точки зору мають асиметричні багатошарові квантово-розмірні гетероструктури (АБКРС) як активні середовища НПОП й лазерів.

Виділяють три типи АБКРС. Це композиційні АБКРС, що представляють собою сукупність КР шарів різного складу, які формують квантові ями (КЯ) різної глибини; розмірні АБКРС, сформовані КР шарами однакового складу, але різної товщини; змішані АБКРС, що містять КР шари змінного складу й товщини. Сучасні технології дозволяють вирощувати різні варіанти гетеросистем такого виду, що дає можливість створювати нові структури з унікальними електронними і оптичними властивостями, які не існують у природі.

Хоч дослідженню динаміки відновлення підсилення в НПОП присвячено багато публікацій, викладені в них наукові результати вимагають уточнень і доповнень. Зокрема, це стосується результатів, описаних у працях [1-3]. Так у роботах [1-2] їх автори представили результати вимірів динаміки відновлення підсилення в АБКРС НПОП за допомогою двоколірної фемтосекундної спектроскопії. Однак у цих публікаціях вони не провели аналіз і теоретичний опис представлених даних, а їх загальна інтерпретація ґрунтувалася на фізичній картині, яка може бути застосована тільки до НПОП з масивною активною областю. У праці [3] автори проаналізували експериментальні результати з динаміки відновлення підсилення в АБКРС НПОП використовуючи для цього апроксимаційні функції, які не мають теоретичного обґрунтування. Детальний аналіз процесів квантового переносу в АБКРС НПОП, а також імітаційне моделювання динаміки відновлення підсилення і населеності активного середовища АБКРС НПОП дозволяють пояснити і теоретично описати результати експериментів, наведених в [1-3]. Тому дослідження процесів квантового переносу, здійснене в дисертаційній роботі, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертацію виконано на кафедрі фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ). Отримані в роботі результати було використано в ході виконання держбюджетних науково-дослідних робіт № держреєстрації 0100U003413 «Дослідження методів побудування оптоелектронних засобів на базі лазерів для дистанційно роз'єднаних високоінтегрованих інформаційно-вимірювальних систем», № держреєстрації 0102U001436 «Дослідження фізичних процесів генерації, підсилення і перетворення випромінювання у квантових (лазерах), оптоелектронних та електронних приладах, а також розробка концепції їх застосування в радіоелектронних системах і комунікаційно-інформаційних технологіях», № держреєстрації 0105U002992 «Взаємодія когерентного оптичного електромагнітного випромінювання з матеріалами активних та пасивних середовищ та елементна база повністю оптичних систем». Низка результатів одержані у рамках міжнародного співробітництва ХНУРЕ з університетами Ямагата (Японія), Карлсруе (Німеччина).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є рішення наукової задачі, яка полягає у встановленні закономірностей процесів квантового переносу в композиційно асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетеро структурах, їх теоретичному описі і встановлені суті їхнього впливу на імпульсний відгук напівпровідникових оптичних підсилювачів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було :

· виявити основні закономірності та фактори, які визначають швидкодію напівпровідникових лазерів і напівпровідникових оптичних підсилювачів на основі багатошарових квантово-розмірних гетероструктур, і зокрема, на основі асиметричних багатошарових КРС;

· теоретично дослідити спектри власних станів асиметричних багатошарових КРС і можливі перекручування їхнього потенціального профілю, а також встановити критерії застосовності кусочно-постійної апроксимації зонних діаграм шаруватих КРС;

· теоретично дослідити вплив температури і рівня інжекції на область захоплення в КРС;

· теоретично дослідити тунелювання в асиметричних багатошарових КРС і визначити роль просторового напрямку в процесах тунельного переносу й;

Об'єктом дослідження є напівпровідникові лазери і напівпровідникові оптичні підсилювачі на основі асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктур.

Предметом дослідження є процеси квантового переносу носіїв заряду в напівпровідникових асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктурах і їх вплив на швидкодію напівпровідникових лазерів і напівпровідникових оптичних підсилювачів.

Методи дослідження. Теоретичне дослідження динаміки підсилення й населеності активної області проводили за допомогою імітаційного моделювання в наближенні швидкісних рівнянь. Для аналізу спектрів підсилення використовували результати напівкласичної теорії підсилення у формулюванні ефективних рівнянь Блоха. Аналіз спектра власних станів і особливостей просторового розподілу заряду проводили за допомогою чисельного рішення рівнянь Шрьодінгера і Пуассона в наближенні огинаючої. Ефекти тунелювання досліджували в рамках концепції групової швидкості шляхом рішення рівняння Шрьодінгера методом матриць переносу.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі були проведені дослідження процесів відновлення підсилення і населеності пікосекундної тривалості, захоплення носіїв заряду та їх тунелювання в АБКРС НПОП і вперше отримано низку нових наукових результатів.

1. Вперше виконано теоретичний опис області захоплення не як геометричного параметру КР гетеросистеми, а як фундаментальну характеристику низькорозмірних гетероструктур, що витікає з їхньої квантової природи. Доведено, що уведене визначення області захоплення є справедливим для гетероструктур будь-якої розмірності.

2. Вперше вирішено задачу про просторову залежність швидкості захоплення носіїв.

3. Вперше показано, що область захоплення може бути як менше, так і більше геометричних розмірів КР - гетероструктури. Шляхом моделювання реальних гетеросистем і обчислень показано, що в типових умовах, які мають місце в НПЛ і НПОП, область захоплення збільшується з ростом температури і рівня інжекції.

4. Вперше теоретично описані процеси тунелювання в АБКРС, і таким чином, зроблено кількісну оцінку тунельного переносу в них. Показано, що тунелювання від глибоких КЯ до мілких (зліва направо) здійснюється здебільшого через верхні стани. А тунелювання від мілких КЯ до глибоких (справа наліво) відбувається в основному через нижні стани.

5. Вперше показано, що при оцінці часів тунелювання слід враховувати взаємодію не тільки сусідніх КЯ, але й КЯ, що знаходяться далеко одне від одного. Обчислені середні часи тунелювання лежать у межах від одиниць пікосекунд до декількох десятків фемтосекунд і становлять конкуренцію внутрішньозонним процесам в динаміці населеності й підсилення в НПОП.

6. Показано, що зміна концентрації носіїв у кожній КЯ сильно залежить від довжини хвилі падаючого оптичного імпульсу, і що процеси квантового переносу в АБКРС відіграють найважливішу роль при відновленні підсилення після надшвидкого збурювання. Аналіз динаміки носіїв показав, що населеність глибоких КЯ може бути компенсована за рахунок носіїв із мілких КЯ.

7. Встановлено, що сильна локалізація дірок при слабкій локалізації електронів визначає положення локальних мінімумів потенціалу Хартрі в КЯ і його локальних максимумів у бар'єрах. Положення глобальних екстремумів визначається сукупністю двох факторів - практично рівномірним просторовим розподілом дірок і таким просторовим розподілом електронів, який є характерним для поодинокої КЯ.

8. Доведено, що кусочно-постійна апроксимація може бути застосовна при аналізі будь-яких симетричних багатошарових КРС і асиметричних багатошарових КРС, сформованих шарами однакової товщини.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена в роботі методика обчислення часів тунелювання в АБКРС дозволяє адекватно враховувати процеси тунелювання у швидкісних рівняннях. Розроблений пакет програм для аналізу швидкості захоплення й тунелювання в складних КР структурах, може бути використаний для аналізу процесів переносу в АБКРС і БКРС, під час дослідження й розробки оптоелектронних приладів на основі АБКРС і БКРС. У сукупності отримані методики й алгоритми дозволять поліпшити імітаційні моделі НПОП на АБКРС і, таким чином, здійснювати більш точне їхнє прогнозування і розробку.

Урахування просторової залежності швидкості захоплення дозволив удосконалити метод опису процесів захоплення носіїв заряду в КР структурах. Розроблено оригінальну методику обчислення області захоплення, яка дає можливість оцінити залежність цього параметра від температури і рівня інжекції. Використання цієї методики дозволяє проводити більш точну інтерпретацію експерименту і більш точне моделювання КР структур. Результати досліджень потенціального профілю АБКРС та ефектів переносу в них були успішно використані для пояснення експериментальних даних з динаміки відновлення підсилення і спектрів підсилення в розглянутих структурах. Результати роботи можуть бути використані для оптимізації динамічних і статичних характеристик НПЛ і НПОП на основі БКРС й АБКРС. Одержані в роботі результати використані в ході виконання держбюджетних науково-дослідних робіт. Вони також використовуються в Харківському національному університеті радіоелектроніки, при читанні курсів лекцій і проведенні лабораторних робіт з навчальних дисциплін «Напівпровідникові лазери», «Квантово-розмірні структури і прилади».

Одержані результати можуть бути використані для подальшого розвитку теоретичних і експериментальних досліджень процесів переносу в КР структурах і прикладних задачах, пов'язаних зі створенням фотонних і оптоелектронних приладів.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати дисертації одержані особисто автором і проаналізовані ним разом з науковим керівником. Інші співавтори опублікованих робіт брали участь у проведенні спільних досліджень, результати яких не ввійшли в дисертацію. Здобувач здійснив конкретизацію визначених задач; розробку методології обчислення області захвату; розробку методології обчислення усереднених часів тунелювання; систематизацію та узагальнення отриманих даних; аналіз та узагальнення результатів обчислення зонних діаграм та динаміки відновлення підсилення й населеності активної області; брав безпосередню участь у розробці алгоритмів числових розрахунків, а також написанні статей і доповідей за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на таких конференціях і семінарах: Міжнародний форум молодих учених «Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті» (Харків, 2000, 2001); Міжнародна конференція «Теорія й техніка прийому, передачі й обробки інформації» (Харків-Туапсе, 2000, 2001); International Young Scientists Conference on Applied Physics (Київ, 2001); International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, LFNM (Харків, 2001, 2002, 2004, 2006; Алушта, 2003; Ялта, 2005); International Conference on Transparent Optical Networks, ICTON (Cracow, 2001; Wroclaw, 2004); International Conference on Lasers and Electro Optics, CLEO®/EUROPE (Munich, 2003); IEICE Society Conference (Niigata, 2003); Meeting on Creation of Ultrahigh-Speed Optical Buffer Memory with Shift Register (Yonezawa, 2003); International Symposium on Signals, Systems, and Electronics, ISSSE (Linz, 2004); International Scientific and Technical Conference on Quantum Electronics (Minsk, 2004); International Conference on Low Dimensional Structures and Devices, LDSD (Cancun, 2004); Multidisciplinary Symposium Optics East: Conference on Physics and Applications of Optoelectronic Devices (Philadelphia, 2004); International Workshop on Optoelectronic Physics and Technology, OPT (Харків, 2007).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 32 праці. З них 11 статей, у тому числі 1 без співавторів, 21 тез доповідей на міжнародних та вітчизняних конференціях, симпозіумах і семінарах.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел, одного додатку. Повний об'єм роботи становить 182 сторінки й містить 51 рисунок, 2 з яких займають окремі сторінки, і 2 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації і дана оцінка сучасного стану проблеми на час початку досліджень, сформульовано мету і завдання роботи, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про особистий внесок автора, відомості про апробацію роботи, публікації і структуру дисертації.

Розділ 1 «Розвиток і сучасне становище напівпровідникових квантово-розмірних лазерів. Огляд літератури» присвячений огляду літератури за темою дисертації і аналізу досягнутого рівня фізики лазерних напівпровідникових джерел випромінювання із квантово-розмірною активною областю.

Розділ 2 «Феноменологічний аналіз надшвидкої динаміки напівпровідникових оптичних підсилювачів на основі АБКРС» присвячений дослідженню процесів відновлення підсилення і динаміки населеності активної області НПОП на основі АБКРС після збурення ультракоротким оптичним імпульсом. Розглянута композиційна АБКРС InGaAsP, що складається з 6 КЯ. КЯ згруповані по двоє і випромінюють на трьох різних довжинах хвиль мкм, мкм і мкм.

У першому підрозділі розділу 2 викладено феноменологічну імітаційну модель НПОП, яка заснована на швидкісних рівняннях для населеності кожної КЯ в складі активної області.

У другому підрозділі розділу 2 проаналізовано динаміку населеності кожної КЯ. Розглянуто три випадки, у кожному з яких довжина хвилі збурення збігається з довжиною хвилі оптичних переходів однієї із груп КЯ. Було встановлено, що зміна концентрації носіїв у кожній КЯ сильно залежить від довжини хвилі падаючого оптичного імпульсу, а ефекти переносу відіграють важливу роль у відновленні підсилення після надшвидкого оптичного збурення. Показано, що населеність довгохвильових КЯ може компенсуватися за рахунок носіїв у короткохвильових КЯ.

У третьому підрозділі розділу 2 проаналізовано динаміку відновлення підсилення під час впливу УКІ накачування і зондуючого УКІ з однаковими й різними довжинами хвиль. Встановлено, що під час збігу довжин хвиль УКІ проби й накачування, динаміка підсилення обумовлена спільною дією двох факторів - динамікою температури носіїв і спектральною залежністю чутливості підсилення до температури носіїв. У випадку різних довжин хвиль УКІ накачування і зондуючого УКІ, насичення досягає більшої величини на коротких хвилях. У цьому ж діапазоні має місце більш повільне відновлення підсилення.

Розділ 3 «Дослідження потенціального профілю й спектру власних станів багатошарових квантово-розмірних гетероструктур» присвячений аналізу просторового розподілу заряду в активній області багатошарових симетричних і композиційно асиметричних КР структур і його впливу на спектр власних станів розглянутих структур. Дослідження проводили в рамках самоузгодженої моделі потенціальногоного профілю КР структур, заснованої на системі рівнянь Шрьодінгера і Пуассона.

У першому підрозділі розділу 3 розглянуто закономірності формування спектра власних станів квазіконтинуума квантово-розмірних структур, що має кусочно-постійний або близький до нього потенціальний профіль. Показано, що в загальному випадку, стани квазіконтинуума будуть групуватися в групи з кількістю станів усередині групи, що дорівнює кількості бар'єрів. При цьому найнижчий стан квазіконтинуума буде завжди мати одну пучність у кожному бар'єрі. У загальному випадку хвильові функції станів квазіконтинуума будуть формуватися у такий спосіб, що число пучностей у кожному бар'єрному шарі буде дорівнювати номеру стану.

У другому підрозділі розділу 3 представлено самоузгоджену модель потенціального профілю шаруватих КР структур.

Третій підрозділ розділу 3 присвячений аналізу механізмів формування потенціалу індукованого зв'язаними носіями в багатошарових симетричних КРС. Знайдено, що просторова структура потенціалу Хартрі визначається особливостями просторового розподілу електронів і дірок. У силу своєї більшої ефективної маси важкі дірки локалізовані сильніше, ніж електрони, і густина ймовірності приблизно однакова для кожної КЯ. Тому позитивний заряд розподілений практично рівномірно з локальними екстремумами, які розташовуються в КЯ. Електрони ж зазнають менше квантування. Завдяки наявності у них меншої ефективної маси їхні хвильові функції сильніше проникають у бар'єрні шари. У результаті, електронна густина імовірності має розподіл, який подібний до розподілу в поодинокій КЯ. Таким чином практично нульова густина імовірності знайти дірки в бар'єрах і одночасно більша густина імовірності знайти електрони в бар'єрних шарах, визначають локальні мінімуми потенціалу Хартрі в бар'єрних шарах і його локальні максимуми у квантових ямах. Положення глобального екстремуму потенціалу визначається двома факторами: практично однорідним розподілом густини імовірності дірок і просторовим розподілом густини імовірності електронів, характерним для поодинокої КЯ. Зроблені висновки дозволяють зпрогнозувати поведінку зонної діаграми симетричної КРС при подальшому збільшенні товщини шарів. Збільшення товщини КЯ приведе до поліпшення локалізації електронів. За рахунок цього електрони будуть розподілятися між КЯ більш рівномірно. На фоні цих змін локалізація дірок не зазнає практично ніяких змін. Кількість зв'язаних станів зросте за рахунок збільшення товщини структури в цілому. Сукупність цих факторів приведе до того, що негативний заряд у бар'єрах і позитивний заряд у КЯ будуть зменшуватися. Як наслідок зменшиться різниця між локальними екстремумами потенціалу. Одночасно із цим зменшиться й величина глобального екстремуму, в основному за рахунок більш сильної локалізації електронів. Аналогічна ситуація буде спостерігатися при збільшенні товщини бар'єрів, а також при одночасному збільшенні товщини квантових ям і бар'єрів. Таким чином, збільшення товщини шарів багатошарової симетричної КРС має тенденцію зменшувати неоднорідність потенціалу Хартрі. Оскільки найбільше значення глобальної різниці потенціалів спостерігається при товщині шарів 2,5 нм і становить приблизно 2,75 мВ, то можна зробити висновок про те, що кусочно-постійна апроксимація потенційного профілю може бути застосовна для всіх багатошарових симетричних КР структур.

У підрозділі 4 розділу 3 проведено детальний аналіз базової АБКРС, яка складається з 6 квантових ям InGaAsP, 3 групи по 2 КЯ. Товщина всіх КЯ й бар'єрів становить 5 нм. Довжини хвиль оптичних переходів у кожній парі становлять мкм, мкм і мкм. Показано, що в цій структурі вплив особливостей просторового розподілу носіїв заряду є нехтовно малим, що дає підставу для застосування кусочно-постійної апроксимації для аналізу оптичних властивостей даної структури й особливостей процесів переносу.

П'ятий підрозділ присвячено аналізу впливу геометричних параметрів базової АБКРС на спектр її власних станів. Розглянуто дві категорії гетероструктур: зі змінною товщиною бар'єрів (2, 5, 10 нм) і незмінною товщиною квантових ям (5 нм), і зі змінною товщиною КЯ (3, 5, 10 нм) і незмінною товщиною бар'єрів (5 нм). Окремо розглянутий випадок з дуже товстими крайніми бар'єрами.

Встановлено, що збільшення товщини бар'єрів у розглянутій структурі приводить до формування мінізон у спектрі станів квазіконтинуума; кількість мінізон та їхнє положення керовані. Цей фактор дозволяє реалізувати керування швидкістю захоплення в АБКРС. Спектр зв'язаних станів наближається до спектра станів невзаємодіючих КЯ. Варіація товщини бар'єрів між гранично тонкими й гранично товстими дозволяє управляти темпом тунельного переносу між окремими КЯ в структурі. У всіх розглянутих випадках величина потенціалу Хартрі перебуває в межах мВ і не спричиняє помітних перекручувань зонних діаграм. Це дає підстави для застосування кусочно-постійної апроксимації для аналізу особливостей процесів переносу і оптичних властивостей даної структури. Виняток становить випадок товстих бар'єрів, що обрамляють структуру. Структури такої конфігурації будуть мати сильний вигин зонних діаграм за рахунок посилення просторової сепарації носіїв заряду і підвищення густини негативного заряду в бар'єрах, що обрамляють. Ці два фактори не дозволяють застосовувати кусочно-постійну апроксимацію до даних структур.

Порівняння з випадком зміни товщини бар'єрів, збільшення товщини КЯ приводить до зсуву максимуму хартріївського потенціалу вбік глибоких КЯ. Збільшення товщини КЯ приводить до зсуву спектра зв'язаних станів вниз; явище розрідження спектру відсутнє. Оскільки зсув відбувається як у зоні провідності так і в валентній зоні, то довжина хвилі оптичних переходів зміщується в червону сторону оптичного спектра. Зсув спектра зв'язаних станів відбувається сильніше, ніж при збільшенні товщини бар'єрів. Цей фактор може бути використаний для керування енергією оптичного переходу. При товщині КЯ 10 нм з'являються додаткові зв'язані стани, що приводить до більш сильного вигину зонних діаграм у порівнянні зі структурами з меншою товщиною КЯ. Однак перекручування все ще мале, що дозволяє використати кусочно-постійну апроксимацію.

Розділ 4 «Процеси переносу носіїв заряду в низькорозмірних напівпровідникових структурах» присвячений аналізу процесів захоплення, викиду й тунелювання в КР структурах на основі поодинокої КЯ, а також у багатошарових симетричних та асиматричних КР структурах.

У першому підрозділі розділу 4 викладено елементи теорії електрон-фононної взаємодії в шаруватих КР структурах. Одержано вираз для часу захоплення носіїв на стани квантової ями.

У другому підрозділі розділу 4 на основі квантово-механічних міркувань вводиться поняття області захоплення, а далі досліджується зв'язок станів квазіконтинууму і зв'язаних станів у термінах області захоплення. На модельному об'єкті, що складається з поодинокої КЯ в структурі роздільного обмеження досліджено температурну залежність області захоплення, а також її залежність від рівня інжекції. Вперше встановлено, що область захоплення може бути як менше так і більше товщини КЯ.

Якщо квазірівень Фермі розташований не вище краю зони провідності бар'єрних шарів, то область захоплення зростає у всьому інтервалі температур. У той же час область захоплення починає зменшуватися з ростом температури, як тільки квазірівень Фермі заходить у дозволену зону бар'єрних шарів (рис.1а). Такі залежності пояснюються ефектами заселеності станів квазіконтинууму. Управляти заселеністю станів можна двома способами, варіюючи температуру й/або змінюючи положення квазірівня Фермі. У першому випадку обидва ці фактори дають позитивний результат, оскільки як з ростом температури, так і з підняттям квазірівня Фермі все більше станів дають внесок в область захоплення. У другому випадку ми також маємо збільшення кількості станів квазіконтинууму, які дають внесок в область захоплення. Однак спостерігається і протилежний ефект. Внаслідок того, що в другому випадку робочі стани розташовані як вище, так і нижче квазірівня Фермі, зростання температури веде до зменшення заселеності станів, які лежать нижче. Тому сумарний ефект проявляється в зменшенні області захоплення із збільшенням температури.

Для залежності області захоплення від рівня інжекції характерно таке. Доки квазірівень Фермі перебуває нижче краю зони бар'єрів, зростання температури буде збільшувати область захоплення за рахунок залучення нових станів, які розташовано вище. Як тільки рівень інжекції перевищить цю критичну величину, зростання температури буде зменшувати область захоплення внаслідок збіднення станів квазіконтинууму, які розташовано нижче.

Третій підрозділ розділу 4 присвячено дослідженню тунельного переносу в базовій АБКРС. Дослідження проводили в рамках концепції групової швидкості, за допомогою якої було одержано вираз для коефіцієнта проходження довільної шаруватої структури, а також вираз для часу тунелювання. Під час виведення цих виразів був врахований фактор нееквівалентності прямого і зворотного напрямків тунелювання, що дозволило детально дослідити тунелювання в асиметричних КР структурах.

напівпровідниковий квантовий лазер підсилювач

Таблиця 1

	КЯ №1	КЯ №2	КЯ №3	КЯ №4	КЯ №5	КЯ №6
Час тунелювання наліво, с	-
Час тунелювання направо, с						-

Незалежно від напрямку руху квазічастинок коефіцієнт проходження крізь всю структуру залишається постійним. Піки на спектрі повного коефіцієнта проходження відповідають власним станам базової АБКРС. Однак, коефіцієнти проходження крізь ліву й праву частини від даної КЯ є різними в різних напрямках (рис. 2). У цьому проявляється асиметричність процесу тунелювання. Причина асиметричності полягає в тому, що частини АБКРС, які оточують кожну КЯ, не є однаковими. Саме тому асиметричність тунелювання буде спостерігатися так само й у повністю симетричних гетероструктурах. Сильна асиметричність проявляється і у спектрах часів тунелювання (рис. 3, рис. 4).

Розглянуто проблему коректного введення часу тунелювання в динамічну модель КР лазера або підсилювача. Показано, що широко розповсюджене припущення про достатність врахування тунелювання тільки між сусідніми КЯ не застосовне до базової АБКРС. Показано, що тунелювання між далекими КЯ вносить істотний внесок в перенос носіїв. Це повинно бути врахованим під час аналізу динаміки КР лазерів і підсилювачів (рис.4). Запропоновано коректний спосіб обчислення часу тунелювання. За його допомогою пока-зано, що в розглянутій АБКРС часи тунелювання лежать в субпікосе-кундному діапазоні (табл.1). Таким чином, тунельні процеси становлять конкуренцію внутрішньозонним процесам перерозподілу носіїв, указуючи на необхідність врахування тунелювання під час аналізу надшвидкої динаміки населеності і підсилення у напівпровідникових лазерів й оптичних підсилювачів.

Показано, що тунелювання зліва направо відбувається через верхні стани, а в протилежному напрямку - через нижні. Причому часи тунелювання в обох напрямках приблизно однакові. Вони становлять в околі резонансів десятки фемтосекунд.

У додатку А наведено проміжні обчислення стосовно визначення часу захвату.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено поставлену задачу, яка полягає у встановленні закономірностей процесів квантового переносу в композиційно асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетеро структурах, їх теоретичному описі і встановлені суті їхнього впливу на імпульсний відгук напівпровідникових оптичних підсилювачів. Основні результати такі:

1. На основі побудованої імітаційної моделі теоретично досліджено динаміку населеності активної області і підсилення після проходження 100-фс оптичного імпульсу. Було встановлено, що зміна концентрації носіїв у кожній КЯ сильно залежить від довжини хвилі оптичного імпульсу що налітає, а у відновленні підсилення ключовим фактором є процеси квантового переносу. Аналіз динаміки носіїв показав, що населеність глибоких КЯ може бути скомпенсована за рахунок носіїв із мілких КЯ. Аналіз динаміки підсилення показав, що зміна підсилення для сигналів проби й накачування з однаковими довжинами хвиль визначається конкуренцією процесів динамічної зміни температури носіїв і її впливом на оптичне підсилення. У випадку різних довжин хвиль накачування й зондування насичення досягає більшої величини на коротких хвилях. У тому ж діапазоні довжин хвиль має місце менша швидкість відновлення підсилення. Одержані результати дозволяють зробити висновок про те, що для прискорення відгуку НПОП варто домагатися підвищення швидкості переносу між КЯ. Із практичної точки зору, у системах швидкісної обробки даних на основі НПОП керуючі імпульси повинні мати меншу довжину хвилі в порівнянні з довжиною хвилі УКІ інформаційного потоку.

2. Теоретичне дослідження симетричних КР структур дозволило вперше виявити механізми формування потенціалу, наведеного зв'язаними носіями. Практично нульова густина імовірності знайти дірки в бар'єрах і одночасно більша густина імовірності знайти електрони в бар'єрних шарах, визначають локальні мінімуми потенціалу Хартрі в бар'єрних шарах і його локальні максимуми у квантових ямах. Положення глобального екстремуму потенціалу визначається двома факторами: практично однорідним розподілом густина імовірності дірок і просторовим розподілом густини імовірності електронів, характерним для поодинокої КЯ. Доведено, що аналогічна фізична картина справедлива й для АБКРС.

3. Показано, що вплив особливостей просторового розподілу носіїв заряду в базовій АБКРС нехтовно малий, що дає підстави для застосування кусочно-постійної апроксимації для аналізу оптичних властивостей даної структури і особливостей процесів переносу. Подальший аналіз показав, що кусочно-постійна апроксимація зонної діаграми може бути застосована для довільних симетричних багатошарових КРС, а також для асиметричних багатошарових КРС, сформованих шарами однакової товщини.

4. Показано, що спектр станів квазіконтинууму управляється не тільки загальною товщиною структури, але й потенціальним рельєфом, який створюють КЯ і бар'єри що чергуються. Встановлено, що довжина хвилі станів квазіконтинуума пов'язана з товщиною бар'єрів співвідношенням , де - номер мінізони, а енергія нижчого стану першої мінізони може бути оцінена із співвідношення . Одержані дані дозволяють проводити первинну оцінку ефективності захоплення носіїв заряду.

5. Вперше проведено теоретичний опис області захоплення не як геометричного параметра КР гетеросистеми, а як фундаментальну характеристику низькорозмірних гетероструктур, яка випливає з їхньої квантової природи. Доведено, що введене визначення області захоплення справедливе для гетероструктур будь-якої розмірності. Вперше показано, що область захоплення може бути як менше, так і більше геометричних розмірів КР гетероструктури, залежно від температури і рівня зміщення.

6. Вперше проаналізовано просторову залежність коефіцієнта міжпідзонного зв'язку й виявлено закономірності її формування.

7. Вперше проаналізовано ефекти тунелювання в композиційно асиметричній багатошаровій квантово-розмірній структурі. Показано, що тунелювання від глибоких КЯ до мілких (зліва направо) здійснюється здебільшого через верхні стани (№ 4-6). А тунелювання від мілких КЯ до глибокого (справа наліво) відбувається в основному через нижні стани (№ 1-3). Показано також, що навіть у повністю симетричних шаруватих КР структурах процес тунелювання є асиметричним відносно напрямку руху носіїв.

8. Вперше показано, що при оцінці часів тунелювання варто враховувати взаємодію не тільки сусідніх КЯ, але й КЯ, що перебувають далеко одна від одної. Запропоновано і обґрунтовано методику обчислення часів тунелювання для включення їх в імітаційні динамічні моделі приладів на основі багатошарових КРС. Середній час тунелювання в дослідженій композиційній АБКРС коливається від одиниць пікосекунд до декількох десятків фемтосекунд. Як наслідок, тунельний перенос буде відігравати істотну роль в динаміці населеності й підсилення в даній структурі. Показано, що за рахунок дуже високого темпу тунелювання, компенсація населеності відбувається не тільки за рахунок носіїв із сусідніх КЯ, але й за рахунок носіїв з далеких КЯ. Урахування ефектів тунелювання в імітаційній моделі НПОП дозволило досягти гарного збігу результатів обчислень і експериментальних даних з кінетики відновлення підсилення. Врахування насичення процесу захоплення разом з врахуванням тунельних ефектів дозволило досягти гарного збігу обчислених й експериментальних спектрів підсилення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лысак, В. В. Исследование динамических свойств лазеров с активной областью в виде массива квантовых точек [Текст] / В. В. Лысак, А. В. Шулика, И. А. Сухоиванов // Радиотехника : всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 125. - С. 129-133.

2. LaserCAD III - на пути к комплексному моделированию квантово размерных лазеров [Текст] / А. В. Шулика, П. С. Иванов, И. М. Сафонов, А. В. Дёгтев, В. В. Лысак, А. В. Кублик, И. А. Сухоиванов // Оптико-електронні інформаційно- енергетичні технології. - 2002. - Т. 3, №1. - С. 125-130.

3. Shulika, A. V. Interactive teaching software suite for the basic photonics components studying [Текст] / A. V. Shulika, P. S. Ivanov, I. N. Keleberda // LEOS Newsletter. - 2003. - Vol. 17, № 4. - P. 15-19.

4. Шулика, А. В. Область захвата носителей заряда в низкоразмерных полупроводниковых лазерах и усилителях в условиях малосигнальной модуляции [Текст] / А. В. Шулика // Радиоэлектроника и информатика. - 2004. - Т. 27, № 2. - C. 51-53.

5. Шулика, А. В. Туннелирование в полупроводниковых оптических усилителях на основе асимметричных многослойных квантово-размерных структур [Текст] / А. В. Шулика, И. А. Сухоиванов, В. В. Лысак // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2004. - Вып. 137. - С. 164-171.

6. Quantum capture area in layered quantum well structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Microelectronics Journ. - 2005. - Vol. 36, №3/6. - P. 350-355.

7. Вычисление спектров усиления полупроводниковой структуры с одиночной квантовой ямой [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - Т. 32, №3. - C. 43-46.

8. Влияние аксиального приближения на плотность состояний квантово-размерных структур [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 143. - С. 101-106. Статтю перекладено на англ.: Influence of axial approximation upon the density of the states of quantum-dimensional structures [Текст] / M. V. Klimenko, A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Telecommunication and Radio Engineering, Begell House. - 2006. - Vol.65, № 13. - P. 1217-1226.

9. Ultrafast gain dynamics in asymmetrical multiple quantum-well semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, T. Katayama, A. V. Shulika // IEEE J. Quantum Electron. - 2005. - Vol. 41, № 6. - P. 797-807.

10. Carrier tunneling in complex asymmetrical multiple quantum well semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika, I. M. Safonov, Y. T. Lee // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2006. - Vol. 18, №12. - P. 1362-1364.

11. Лысак, В. В. Полупроводниковые оптические усилители на основе асимметричных многослойных квантово-размерных структур. Ч. 2. Численные исследования [Текст] / В. В. Лысак, С. И. Петров, А. В. Шулика // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2007. - Вып. 149. - С. 106-117.

12. Web-oriented interactive environment for distance education in study of semiconductor lasers [Текст] / I. N. Keleberda, A. V. Shulika, V. V. Sokol, I. M. Safonov, T. S. Sakalo, P. S. Ivanov, I. A. Sukhoivanov, N. S. Lesna // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 5484. - P. 651-567.

13. The influence of gain nonlinearities on distortion in semiconductor lasers [Текст] / V. V. Lysak, R. Schatz, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, O. Kjebon // Proc. SPIE. - 2004. - Vol. 5582. - P. 171-178.

14. Ultrafast dynamics in asymmetrical multiple quantum well SOAs [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, Y. T. Lee, T. Katayama, A. V. Shulika // Proc. SPIE. - 2004. - Vol. 5594. - P. 21-32.

15. Model for self-consistent analysis of arbitrary MQW structures [Текст] / I. M. Safonov, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Proc. SPIE. - 2004. - Vol. 5594. - P. 33-44.

16. Lysak, V. V. A five-level time-domain model for quantum dot lasers: influence of carrier capture and escape processes on dynamic and static characteristics [Текст] / V. V. Lysak, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2001). - Kharkov, 2001. - P. 64-68.

17. Lysak, V. V. Influence of carrier capture-escape processes on dynamical behavior and characteristics of quantum dot laser [Текст] / V. V. Lysak, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2001). - Cracow, 2001. - P. 28-31.

18. Shulika, A. V. A five-level time-domain model for quantum dot lasers: comparison to experiment [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov // First Int. Young Scientists Conference on Applied Physics. - Kiev, 2001. - P. 82-83.

19. Shulika, A. V. Carrier transport in quantum dot structures [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2002). - Kharkov, 2002. - P. 178-180.

20. Shulika, A. V. Tunneling peculiarities in asymmetrical quantum-well structures [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2003). - Alushta, 2003. - P. 242.

21. Time-domain numerical model for asymmetrical multiple-quantum well traveling-wave semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika, H. Kawaguchi // Conf. Digest of Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO®/Europe 2003). - Munich, 2003. - Paper CJ3T.

22. Carrier recovery dynamics after ultrashort pulse propagation in asymmetrical multiple quantum well traveling wave semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika A. V. // Proc. Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2003). - Alushta, 2003. - P. 176-178.

23. Ultrafast gain dynamics in asymmetrical multiple quantum-well SOAs [Текст] / V. V. Lysak, T. Katayama, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika // Proc. IEICE Society Conference. - Niigata : Niigata University, 2003. - Paper C-4-19. - P. 295.

24. Shulika, A. V. Capture area in quantum well structures [Текст] / A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Proc. Int. Conf. Transparent Optical Networks (ICTON 2004). - Wroclaw, 2004. - P. 371-374.

25. Shulika, A. V. Quantum capture area in layered quantum well Structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Proc. Int. Conf. Low Dimensional Structures and Devices (LDSD 2004). - Cancun, 2004. - P. 141.

26. Safonov, I. M. Applicability of the piecewise-linear approximation of the potential profile of undoped MQW heterostuctures [Текст] / I. M. Safonov, А. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // 5th International Scientific and Technical Conference Quantum Electronics (QE-2004). - Minsk : Byelorussian State University, 2004. - P. 108.

27. Effect of band structure anisotropy on gain spectra of SQW lasers and amplifiers [Текст] / M. V. Klimenko, О. V. Shulika, O. V. Mashoshyna, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). - Yalta, 2005. - P. 35-37.

28. Safonov, I. M. Comprehensive modification of AMQW-SCH for the efficient electrons capture [Текст] / I. M. Safonov , О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). - Yalta, 2005. - P. 16-22.

29. Klimenko, M. V. Band structure computation of asymmetric multiple quantum wells [Текст] / M. V. Klimenko, О. V. Shulika, I. M. Safonov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). - Yalta, 2005. - P. 64-67.

30. Anisotropy of the valence subbands in quantum well structures: effect on density of states characteristic [Текст] / M. V. Klimenko, I. M. Safonov, О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD 2005). - Berlin, 2005. - P. 73-74.

31. Shulika, O. Two-dimensional simulation of semiconductor Lasers and semiconductor optical amplifiers using ATLAS [Текст] / О. Shulika, W. Freude, J. Leuthold // Int. Workshop on Optoelectronic Physics and Technology (OPT 2007). - Kharkov, 2007. - P. 34-38.

32. Shulika, O. Simulation of active regions of semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers based on quantum wells [Текст] / О. Shulika // Int. Workshop on Optoelectronic Physics and Technology (OPT 2007). - Kharkov, 2007. - P. 9-11.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Katayama, T. Measurement of ultrafast cross-gain saturation dynamics of a semiconductor optical amplifier using two-color pump-probe technique [Текст] / T. Katayama, H. Kawaguchi // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2004. - Vol. 16, №3. - P. 855-857.

2. Kawaguchi, H. All-optical switching of picosecond pulses by four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier [Текст] / H. Kawaguchi // Photonics based on wavelength integration and manipulation (IPAP Books 2). - 2005. - P. 271-282.

3. Katayama, T. Measurement of ultrafast self-and cross-gain saturation dynamics using two-color heterodyne pump-probe technique [Текст] / T. Katayama, H. Kawaguchi // International Quantum Electronics Conference 2005 and the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2005 (IQEC and CLEO-PR 2005). - Tokyo, 2005. - Paper CFM1-3. - P. 1520-1521.

АНОТАЦІЯ

Шуліка О. В. Процеси переносу в активних середовищах напівпровідникових лазерів та оптичних підсилювачів на основі асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2008.

У дисертаційній роботі проведено теоретичний опис й дослідження процесів переносу носіїв заряду в асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктурах (АБКРС), які є активними середовищами для напівпровідникових лазерів і підсилювачів. Основну увагу приділено композиційно асиметричній квантово-розмірній активній області на основі твердого розчину InGaAsР. Але отримані результати можуть бути застосовані і до інших шаруватих квантово-розмірних структур.

Із застосуванням імітаційних моделей напівпровідникового лазера і напівпровід-никового оптичного підсилювача встановлено, що процеси тунельного переносу й процеси захоплення носіїв є ключовими у визначенні швидкодії цих приладів.

Із застосуванням самоузгодженої моделі потенційного профілю квантово-розмірних структур досліджено спектри власних станів симетричних КРС і АБКРС. Показано, що кусочно-постійна апроксимація зонної діаграми може бути застосована для довільних симетричних багатошарових КРС, а також для АБКРС, сформованих шарами однакової товщини.

На основі квантово-механічного аналізу подано визначення області захоплення, яке є справедливим для КРС будь-якої розмірності. Шляхом моделювання реальних гетеросистем й обчислень показано, що область захоплення може бути як менше, так і більше геометричних розмірів КРС.

З використанням концепції групової швидкості проведено кількісну оцінка тунелювання в АБКРС. Показано, що в базовій структурі тунелювання від глибоких КЯ до мілких здійснюється здебільшого через верхні стани №4-6. А тунелювання від мілких КЯ до глибоких відбувається в основному через нижні стани №1-3. Показано, що середні часи тунелювання знаходяться в інтервалі від одиниць пікосекунд до декількох десятків фемтосекунд.

Ключові слова - напівпровідниковий квантово-розмірний лазер, напівпровіднико-вий оптичний підсилювач, асиметрична квантово-розмірна гетероструктура, кван-товий перенос носіїв заряду, область захоплення, тунелювання, імітаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Шулика А. В. Процессы переноса в активных средах полупроводниковых лазеров и оптических усилителей на основе асимметричных многослойных квантово-размерных гетероструктур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, 2008.

В диссертации проведено теоретическое описание и исследование процессов переноса носителей заряда в асимметричных многослойных квантово-размерных гетероструктурах (АМКРС), являющихся активными областями полупроводниковых лазеров и усилителей. Основное внимание уделено композиционно асимметричной квантово-размерной активной области на основе твердого раствора InGaAsP. Однако, полученные результаты применимы и к другим слоистым квантово-размерным структурам (КРС).

С использованием имитационных моделей полупроводникового лазера и полупроводникового оптического усилителя установлено, что процессы туннельного переноса и процессы захвата носителей являются ключевыми в определении быстродействия этих приборов.

С помощью самосогласованной модели потенциального профиля КРС исследованы спектры собственных состояний симметричных и асимметричных многослойных КРС. Анализ симметричных КР структур позволил выявить механизмы формирования потенциала, наведенного связанными носителями, которые состоят в следующем. Практически нулевая плотность вероятности найти дырки в барьерах и одновременно большая плотность вероятности найти электроны в барьерных слоях, определяют расположение локальных минимумов потенциала Хартри в барьерных слоях и его локальных максимумов в квантовых ямах. Положение глобального экстремума потенциала Хартри определяется двумя факторами: практически однородным распределением плотности вероятности дырок и пространственным распределением плотности вероятности электронов, характерным для одиночной КЯ. Аналогичная физическая картина справедлива и для АМКРС. Показано, что влияние особенностей пространственного распределения носителей заряда в базовой АМКРС пренебрежимо мало. Это дает основания для применения кусочно-постоянной аппроксимации для анализа оптических свойств данной структуры и особенностей процессов переноса. Дальнейший анализ широкого класса композиционно асимметричных КРС показал, что кусочно-постоянная аппроксимация зонной диаграммы применима к произвольным симметричных многослойных КРС, а также к АМКРС, сформированных слоями одинаковой толщины.

На основе квантово-механического анализа дано определение области захвата, справедливое для КРС любой размерности. Путем моделирования реальных гетеросистем и вычислений показано, что область захвата может быть как меньше, так и больше геометрических размеров КРС.

В рамках концепции групповой скорости была проведена количественная оценка процессов туннельного переноса в АМКРС. Показано, что в базовой структуре туннелирование от глубоких КЯ к мелким (слева направо) осуществляется большей частью через верхние состояния №4-6. А туннелирование от мелких КЯ к глубоким (справа налево) происходит в основном через нижние состояния №1-3. Показано, что средние времена туннелирования находятся в диапазоне от единиц пикосекунд до нескольких десятков фемтосекунд.

Ключевые слова - полупроводниковый квантово-размерный лазер, полупровод-никовый оптический усилитель, асимметричная квантово-размерная гетерострук-тура, квантовый перенос носителей заряда, область захвата, туннелирование, имита-ционная модель.

SUMMARY

Shulika O. V. Carrier transport processes in active regions of semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers based on asymmetric multiple quantum-well heterostructures. - Manuscript.

Thesis for a Doctor philosophy degree (Ph.D.) in physical-mathematical sciences by according to scientific specialty 10.04.05 optics, laser physics. - V. N. Karazin Kharkiv national university, Kharkiv, 2008.

Theoretical description and study of carrier transport processes in active regions of semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers based on asymmetric quantum-well heterostructures (AMQW) are carried out in the thesis. The main attention was paid to InGaAsP AMQW. However, results obtained are applicable to other layered quantum well structures.